Mesh規範實現更大擴充性　藍牙拓展物聯網應用領域

Mesh網路允許網路中的設備(或稱「節點」)互相通訊而無需使用網路中樞設備(Hub)，如果需要，可以經由其他節點來將資料封包中繼到其他設備。這樣的系統實現了更大的範圍、靈活性和擴充性，並且是任何自給自足的物聯網(IoT)無線技術之先決條件。藍牙Mesh網路的主要應用包括企業照明設施、控制信標的後端，以及工業監控。 

有數家廠商，尤其是Silvair，認為這項需求是不可或缺的，因而開發了採用低功耗藍牙技術的專有Mesh網路解決方案來填補缺點。該公司的工程師在起草正式的藍牙Mesh網路規範方面發揮了關鍵作用，這實在並不令人覺得意外。這個規範已經在2017年7月份正式確立。 

韌體更新即可通　 Mesh支援藍牙4.0以上版本  

由於開發人員熟悉這種技術的線性發展，可能假設藍牙Mesh網路僅僅是藍牙5技術的更新，但是情況並非如此。實際上，透過軟體更新，任何相容於藍牙4.0、或者更新版本的低功耗藍牙晶片也能夠支援藍牙Mesh網路。這允許現在使用私有Mesh解決方案的聯網低功耗藍牙設施透過進行無線升級來相容藍牙Mesh網路。 

這並不是說韌體更新不重要。藍牙Mesh網路是一個具有七層的全新架構：承載層、網路層、底層傳輸層、上層傳輸層、存取層、基礎模型和模型，它建立於標準低功耗藍牙實體層(無線電)之上(圖1)。當一個節點接收訊息時，會將該訊息從下層的低功耗藍牙實體層向上傳播，經由承載層送達至網路層。網路層使用多個檢查方法來決定將訊息傳遞到堆疊上方，或者決定忽略(參考資料提供瞭解有關各層功能的更多資訊)。 

圖1 藍牙Mesh堆疊位於藍牙低功耗實體層之上

藍牙Mesh網路的規範詳細描述了四種類型「節點」，包含中繼節點、低功耗節點、朋友節點和代理節點。 

中繼節點能夠重新發送所接收到的資料封包，並且利用這個機制，使得資料封包可以在整個網路上快速傳播。中繼的缺點是耗電量增加，這是由於這種節點一直「醒著」。雖然在Mesh網路配置中低功耗藍牙的功耗遠低於其他競爭技術，但這樣的運作模式也無法單單依靠電池供電來持久運作。對於智慧照明等應用而言，這並不是一個缺點，因為燈具是被連接到電源中為LED供電，但是對於網路中其他並非由主線供電的設備，比如交換器，則可能會造成問題。 

為了解決這個問題，藍牙網路包括了「低功耗節點」(LPN)，可以使用電池或能源採集來運作。LPN與「朋友節點」協同工作，朋友節點通常是由主線供電，因而能夠永遠保持醒著；這些設備會暫存任何發往LPN的訊息。LPN根據預先設定的排程表切換至「接收」模式，來接收暫存的訊息，並根據指令進行運作，接著便快速返回節能的「睡眠」狀態。 

「代理節點」允許運行低功耗藍牙堆疊，但不支援藍牙Mesh網路的設備(例如現在的智慧手機)連接至藍牙網路設備。同時經由節點和設備的通用型屬性設定檔(GATT)介面實現互動(圖2)。 

圖2 代理節點(「P」)允許不支援藍牙Mesh的藍牙低功耗設備(例如智慧手機)連接至藍牙Mesh網路。

資料來源：藍牙技術聯盟

藍牙Mesh網路跟隨藍牙技術的架構，其中GATT的「設定檔」允許眾多用例分享共同的資訊結構。然而由於Mesh網路的分散式特性，兩類設定檔的設計是不同的。為了避免GATT設定檔被錯誤認為是網路設定檔，因此Mesh設定檔稱作「模型」(Models)。  

藍牙Mesh 1.0包括「設定」、「心跳」和「健康」基礎模型，這些基礎模型與「Mesh模型」相輔相成，用於「通用」、「照明」、「感測器」和「場景」等用例。鏡像GATT設定檔還可以建立客製化的基礎和Mesh模型(模型是重要的概念，建議讀者瀏覽參考資料以瞭解更多細節)。 

照明驅動 

智慧照明是無線IoT技術的先驅應用，因而最初許多藍牙網路規範都是專為這個用途而客製的。藍牙技術聯盟(SIG)在部落格中曾經說到，「藍牙Mesh網路將在商用照明中造成最大的初步影響。」 

也就是說，用於智慧照明的機制可以便利地支援其他的關鍵應用，比如信標、安全網路，以及冷暖空調(HVAC)網路。這些機制中的關鍵是經由「擴散式」(Flooding)的通訊，即是把每個資料封包向網路中的每個節點廣播，直到其到達目標節點。 

有三種類型定址可配合擴散式網路：「單一廣播」(在初始節點設置期間使用)、「群組」以及「虛擬」(主要由設備製造商用來「標記」產品)。在這些當中，群組定址最適用於日常操作。群組位址是代表著網路中一個或多項元素的群播位址。SIG定義了四個「固定群組位址」，稱作「全代理」、「全朋友」、「全中繼」，以及「全節點」，為上面定義的節點類型定址。 

除了這些群組位址，安裝廠商很可能在配置期間分配動態群組位址，以反映實體的Mesh網路布局。例如，動態群組位址可以分配至建築中每個房間的燈具。 

對於主要的智慧家居應用，例如照明，採用擴散網路方式的Mesh網路和群組定址是十分適合的。採用擴散網路方式的Mesh網路允許交換器向智慧照明群組發送「ON」指令，透過網路進行快速傳播，每個節點接收指令，並且相應地起作用。目標群組的燈光幾乎立即亮起。與需要透過網路中樞來向每個連線的燈具傳送單獨指令的網路相比，例如星形網路，採用擴散網路方式的Mesh網路可以把遲滯降低很多。 

擴散網路架構還帶來了其他的優勢，但也有一些代價。一個主要的額外優勢是簡單，特別是把通訊限制至低功耗藍牙技術的三種廣播和掃描通道(別忘了這項技術總共有40個頻道)。但是，這樣做的代價是頻寬減小了，原因在於需要管理流量以防止資料封包超過這個有限的頻率子集。 

這項規範包括了數個機制，以緩減廣播和掃描通道阻塞。首先是定義一個計算特定的資料封包中繼傳輸次數的TTL(Time-To-Live)計數器，在滿足定義的計數之後，就不會繼續進行中繼操作。 

例如，設置TTL計數器為3，允許一個資料封包從起源開始最多傳遞3次，此後便不再重新傳播。 

第二個防止阻塞機制就是資料封包的資訊暫存，一旦資料封包流傳整個Mesh網路之後，最後只可以到達暫存，在這一點上，設計者可以假設它不必再進行傳輸。一個「選擇性中繼」功能還可以限制Mesh網路擁堵。只要關閉中繼，節點便可以接收資料封包而不傳送。選擇性中繼增加了複雜性，因為設計人員必需折衷權衡Mesh網路的靈活性和頻寬消耗，但這樣做可以提升總體Mesh網路的表現。 

安全第一 

藍牙Mesh將藍牙技術更緊密地導入IoT中，使得安全變得至關重要。因而，藍牙Mesh的設計人員須確保網路、各項應用，以及裝置全部是安全的，並且無法被置換或以其他方式限制。對於藍牙Mesh網路，安全並不是可有可無，而是不可或缺、屬於強制的。 

這個強制性方法是從「開通」(Provisioning)開始的，開通配置是使得網外設備在Mesh網路上變為節點的過程，可以經由智慧手機或平板電腦上支援的App來實施。這個過程有五個步驟：信標(指示加入Mesh網路的可用性)、邀請(來自開通配置的設備)、公鑰交換、認證，以及傳輸環節金鑰交換(確保隨後的資料分發完全開通)。 

在開通的過程中，實現了高度的安全性，因為資料封包是使用AES-128進行端對端加密，並且在每個中繼之間使用的AES-128加密，從而強化了隱私。此外，也加入定期更新加密金鑰，檢測和抵抗在開通流程中的「重播攻擊」。 

目前已有業者推出相關方案，舉例來說，Nordic最近推出用於Mesh網路的nRF5軟體開發套件(SDK)，讓開發人員能夠使用該公司之前的nRF51和nRF52系列SoC來開始設計藍牙Mesh應用。Nordic的藍牙Mesh堆疊方案包括許多沒有加入藍牙Mesh 1.0規範的額外有用功能。 

(本文作者為Nordic產品行銷經理)